1   樣氣處理系統(tǒng)在在線分析系統(tǒng)中的地位

      樣品處理系統(tǒng)如果只限于在線氣體分析系統(tǒng)領(lǐng)域，就該稱為樣氣處理系統(tǒng)｛sample  (gas) handing system｝。

      在在線分析工程技術(shù)行業(yè)內(nèi)，本文所述的樣氣處理系統(tǒng)，過(guò)去卻一直叫取樣預(yù)處理系統(tǒng)、或預(yù)處理系統(tǒng)、樣氣預(yù)處理系統(tǒng)、取樣及預(yù)處理單元等。由于長(zhǎng)期帶著“預(yù)”字，好像只是在線分析器微不足道的附庸部分，遠(yuǎn)未受到應(yīng)有的重視，這種毫無(wú)理性的“技術(shù)歧視”，嚴(yán)重阻礙了它的健康發(fā)展。

      GB/T 19768—2005《在線分析器試樣處理系統(tǒng)性能表示》的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，其實(shí)更早的JB/T 6854—1993的機(jī)械部標(biāo)準(zhǔn)，早就取消了預(yù)處理系統(tǒng)之前的“預(yù)”字，從中必然引申出最重要的核心技術(shù)概念和名詞術(shù)語(yǔ)：樣氣處理系統(tǒng)和樣氣處理部件。請(qǐng)注意，技術(shù)概念及其規(guī)范使用也是技術(shù)。令人遺憾的是，長(zhǎng)期以來(lái)并未得到專業(yè)人士的起碼關(guān)注和認(rèn)可，照樣說(shuō)“取樣預(yù)處理裝置”，將樣氣處理部件叫做“功能部件”。

      本文著力闡述的樣氣處理系統(tǒng)技術(shù)，在在線分析工程應(yīng)用中自身有相對(duì)“獨(dú)立性”、嚴(yán)密性、體系性、以及比較嚴(yán)格的規(guī)范性，怎么肯定都不為過(guò)。PLC可編程序控制器的自控功能及其軟件就是一個(gè)證明。德國(guó)H&B公司的60S型干法高溫取樣探頭系統(tǒng)在中國(guó)市場(chǎng)單獨(dú)銷售有數(shù)十套之多，曾經(jīng)的最高售價(jià)是135萬(wàn)元，算是另一個(gè)頗具說(shuō)服力的證明。

      為了推進(jìn)在線分析工程技術(shù)的發(fā)展，我們應(yīng)該信仰和堅(jiān)持一種全新的“顛覆性”技術(shù)觀念：在線分析面對(duì)諸多十分艱巨復(fù)雜的技術(shù)難題，“樣氣處理系統(tǒng)技術(shù)是在線分析系統(tǒng)的核心和關(guān)鍵技術(shù)”，我們期待樣氣處理系統(tǒng)技術(shù)從此走上全面提升和健康發(fā)展的軌道。

2   在線分析器工程應(yīng)用對(duì)樣氣處理系統(tǒng)技術(shù)的依賴和苛刻要求

     2.1     1985年以前，國(guó)內(nèi)各分析儀器專業(yè)廠的在線分析器，幾乎全是以單機(jī)銷售的形式投放市場(chǎng)，而當(dāng)時(shí)德國(guó)H&B公司的在線分析器卻大約有三分之二是以在線分析系統(tǒng)（包括分析小屋）的形式投放市場(chǎng)，那時(shí)我國(guó)的樣氣處理系統(tǒng)有個(gè)“預(yù)”字并不冤。

      川分以紅外等三項(xiàng)技術(shù)引進(jìn)為契機(jī)，同時(shí)從H&B公司延申引進(jìn)了在線分析系統(tǒng)的工程應(yīng)用技術(shù)，并兩次培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用的專業(yè)人才，使川分無(wú)意中充當(dāng)了一次在線分析器工程應(yīng)用先驅(qū)的角色，設(shè)計(jì)水平、應(yīng)用水平、生產(chǎn)規(guī)模都有長(zhǎng)足進(jìn)步。

2.2     在線分析器工程應(yīng)用的癥結(jié)和最佳途徑

      在線分析器的長(zhǎng)期連續(xù)、適時(shí)的檢測(cè)分析，必然需要連續(xù)取樣和嚴(yán)格的樣氣處理技術(shù)，要求樣氣不失真和快速傳輸，樣氣進(jìn)入分析器時(shí)，要求達(dá)到近于標(biāo)準(zhǔn)氣的高品質(zhì)，例如粉塵含量 ＜0.3um＜10ug/m3，可惜這一不可讓步的控制標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)外的一些知名專業(yè)廠都未能達(dá)到。在線分析系統(tǒng)長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行的可靠性和安全性，以及近于免維護(hù)的易維護(hù)性，這種對(duì)工程應(yīng)用的完整性保障，完全依賴于樣氣處理系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范的專業(yè)化、針對(duì)性設(shè)計(jì)。

      根據(jù)每項(xiàng)在線分析系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用條件和取樣條件，要采用規(guī)范的專業(yè)化，針對(duì)性設(shè)計(jì)的專用型在線分析系統(tǒng)，由具有長(zhǎng)期工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)制造商生產(chǎn)這些高品質(zhì)的在線分析系統(tǒng)，并承擔(dān)全過(guò)程技術(shù)服務(wù)。這種專用型的在線分析系統(tǒng)必然有也必須有作為核心和關(guān)鍵技術(shù)的樣氣處理系統(tǒng)。

      對(duì)于完善的在線氣體分析，起決定作用的是使樣氣處理系統(tǒng)與千差萬(wàn)別的生產(chǎn)工藝條件和環(huán)境應(yīng)用條件匹配得當(dāng)、組合完善，能連續(xù)穩(wěn)定、準(zhǔn)確可靠、近于免維護(hù)地協(xié)調(diào)運(yùn)行。在線分析器對(duì)樣氣處理系統(tǒng)的這種絕對(duì)依賴，也就是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)和工藝過(guò)程的絕對(duì)相關(guān)性，在線分析器正在（或已經(jīng)）被在線分析系統(tǒng)突破和超越，使在線分析器以在線分析系統(tǒng)形式走向工程應(yīng)用成為在線分析工程技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，無(wú)論國(guó)內(nèi)還是國(guó)外都已經(jīng)是不可逆轉(zhuǎn)的技術(shù)發(fā)展主流。

3    樣氣處理系統(tǒng)技術(shù)的最新定義

    樣氣處理系統(tǒng)技術(shù)，從技術(shù)邏輯分析，應(yīng)該由樣氣處理系統(tǒng)和樣氣處理技術(shù)組成，前者是硬件技術(shù)，后者是軟件技術(shù)。

    樣氣處理系統(tǒng)技術(shù)：sample  (gas )  handing  engineering

    樣氣處理系統(tǒng)：sample  (gas)  handing  sistem

    樣氣處理部件：sample  (gae )  handing  component

    樣氣處理：sampl  (gas)  handing

    在線分析工程技術(shù)：on-line  analysis  engineering

    樣氣處理系統(tǒng)的最新定義：通過(guò)針對(duì)在線分析器工程應(yīng)用條件和樣氣條件的規(guī)范的專業(yè)化設(shè)計(jì)，所實(shí)現(xiàn)的樣氣處理部件與在線分析器之間的合理匹配、完善組合，而且能連續(xù)穩(wěn)定、準(zhǔn)備可靠、近于免維護(hù)地協(xié)調(diào)運(yùn)行，能勝任一臺(tái)或多臺(tái)在線分析器工程應(yīng)用嚴(yán)格要求的完整體系性樣氣處理部件的總和。簡(jiǎn)言之，樣氣處理系統(tǒng)能將分析器與取樣點(diǎn)、排放點(diǎn)以及公共設(shè)施很妥善地連接起來(lái)。

     樣氣處理系統(tǒng)技術(shù)的最新定義：樣氣處理系統(tǒng)規(guī)范的專業(yè)化、針對(duì)性設(shè)計(jì)技術(shù)和專業(yè)性工程應(yīng)用及維護(hù)技術(shù)緊密結(jié)合的高度綜合性技術(shù)，它也應(yīng)理解成包括硬件技術(shù)和軟件技術(shù)。

     在線分析工程技術(shù)的新定義：在線分析器和樣氣處理系統(tǒng)技術(shù)集成為在線分析系統(tǒng)，并成功實(shí)現(xiàn)在線分析工程應(yīng)用的全部硬件技術(shù)、軟件技術(shù)以及專業(yè)技術(shù)概念等緊密結(jié)合的高度綜合性技術(shù)。

4   復(fù)雜的樣氣條件和干法樣氣處理技術(shù)

4.1  復(fù)雜的樣氣條件是在線氣體分析面對(duì)的最大困難：

    高溫（最高1400℃）或低溫、高粉塵（最高≤2000g/m3）、高水分（最高 12000ppm以上）或液霧、高壓（最高大于50MPa）或負(fù)壓、腐蝕性和爆炸性危險(xiǎn)等；

    較高的自動(dòng)化程度，少維護(hù)甚至近于免維護(hù)的應(yīng)用要求；

防塵及防水、防腐蝕、防爆炸等方面極為苛刻的防護(hù)及安全要求；

較快的反應(yīng)速度，系統(tǒng)總滯后時(shí)間一般要求＜60s ；

保證必要的檢測(cè)準(zhǔn)確度等。

以上高難度的應(yīng)用要求被朱老高度概括為“取樣系統(tǒng)、可靠性、少維護(hù)、軟件技術(shù)”。

4.2  干法樣氣處理技術(shù)的必要性

      干法樣氣處理技術(shù)有利于有效保持樣氣的真實(shí)性，即樣氣不失真，進(jìn)而確實(shí)保證必要的檢測(cè)準(zhǔn)確度。

      干法樣氣處理技術(shù)能使樣氣干燥、潔凈，即經(jīng)過(guò)高效率的“除塵”和“除水”，達(dá)到近于標(biāo)準(zhǔn)氣的高品質(zhì)，同時(shí)使可能發(fā)生的腐蝕性也大為降低。所有這些都有利于保證在線分析器連續(xù)穩(wěn)定、準(zhǔn)確可靠、少維護(hù)地協(xié)調(diào)運(yùn)行，并延長(zhǎng)其使用壽命，見(jiàn)過(guò)某石化企業(yè)使用超過(guò)20年的紅外分析器，也見(jiàn)過(guò)連續(xù)使用15年以上的樣氣處理系統(tǒng)。工程實(shí)踐表明：在線分析系統(tǒng)在工程應(yīng)用中達(dá)到15年的壽命同期不但非常必要而且也可能。

      干法樣氣處理技術(shù)已成為絕對(duì)的主流技術(shù)。當(dāng)然濕法樣氣處理技術(shù)也并未被完全淘汰，如焦?fàn)t煤氣O2分析系統(tǒng)，以濕法對(duì)付焦油更為有效。

5   樣氣處理系統(tǒng)技術(shù)的體系性特征

      在線分析系統(tǒng)如果去掉在線分析器和某些應(yīng)用保障條件部分、公共工程部分，就是樣氣處理系統(tǒng)，體系性地簡(jiǎn)述樣氣處理系統(tǒng)如下：

5.1  采樣探頭  

     通常稱為取樣探頭，是樣氣處理系統(tǒng)最重要和最關(guān)鍵的樣氣處理部件，根據(jù)不同工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程差別甚大的的取樣條件，就一定有不同的針對(duì)性極強(qiáng)的采樣探頭，最常用的是低于650℃ 的中溫通用型采樣探頭。采樣探頭還應(yīng)包括壓縮空氣加熱（180℃）反吹單元及其程控反吹技術(shù)。反吹單元的設(shè)計(jì)一定要符合流體力學(xué)的要求，這是保障反吹效果非常關(guān)鍵的設(shè)計(jì)技術(shù)。

     采樣探頭能實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程工藝樣氣的連續(xù)采樣，是在不改變工藝氣體典型化學(xué)組分特征，即保持樣氣真實(shí)性的前提下完成樣氣從工藝氣流中的分離。

     采樣探頭從實(shí)用出發(fā)來(lái)認(rèn)識(shí)，應(yīng)該稱為采樣探頭系統(tǒng)更為準(zhǔn)確。采樣時(shí)技術(shù)性地實(shí)現(xiàn)物理分離非常重要。

5.2  樣氣輸送管線

     通常采用Φ6×1不銹鋼管，為避免發(fā)生冷凝，常采用伴熱保溫技術(shù)（≥120℃），伴熱方式以自控溫電伴熱帶較為經(jīng)濟(jì)實(shí)用。如果采用大于Φ6×1的傳輸管道，會(huì)使系統(tǒng)在技術(shù)上很必要的反應(yīng)速度超過(guò)規(guī)范的要求，即達(dá)不到＜60s的要求。認(rèn)為管道粗或壓力高就能反應(yīng)速度快，是個(gè)違背理論根據(jù)的很粗心低級(jí)錯(cuò)誤。

5.3  過(guò)濾器 

     過(guò)濾器就其用途來(lái)說(shuō)，以下三類較有代表性：

一是探頭過(guò)濾器，在取樣點(diǎn)就地過(guò)濾粉塵，避免在其后產(chǎn)生粉塵沉淀和堵塞的危險(xiǎn)，目前的先進(jìn)水平是0.3uｍ 99％。

二是后級(jí)高精度膜式過(guò)濾器，以保護(hù)分析器為主要目的，目前的先進(jìn)水平是0.05uｍ 99％。

三是分析器內(nèi)部的微型過(guò)濾器，以在線分析器的自保護(hù)為目的，它并不屬于樣氣處理系統(tǒng)，一般做得比較小巧。

5.4  樣氣冷凝器  

     使樣氣冷凝至低露點(diǎn)（例如+2℃左右），以干燥樣氣為目的。

壓縮機(jī)式樣氣冷凝器：能使樣氣由140℃冷至+2℃露點(diǎn)，效果最好，但成本也較高；

半導(dǎo)體制冷樣氣冷凝器，入口樣氣溫度一般只能允許45℃；

渦流致冷樣氣冷凝器，能使樣氣溫度降低25℃以上，最大的優(yōu)勢(shì)是使用壓縮空氣，屬本安防爆類型；

使用水源的樣氣冷卻器（即熱交換器）也有不少應(yīng)用。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的樣氣冷卻管可作為是有益的補(bǔ)充手段。

5.5  采樣泵

     通常稱為抽氣泵，樣氣壓力為負(fù)壓或微正壓時(shí)，也能借助采樣泵的抽吸驅(qū)動(dòng)，為分析器提供規(guī)定的樣氣流量，隔膜式抽氣泵用得較多。另外，常用蠕動(dòng)泵來(lái)排放冷凝液，既不受抽氣泵抽及負(fù)壓的限制，也能在與樣氣主氣路隔離的狀態(tài)下連續(xù)排放冷凝液。

5.6  氣液分離器  

     氣液分離常是十分棘手的技術(shù)難題

旋風(fēng)自潔式分離器  對(duì)分離＞5μｍ粉塵和液霧較為有效，可能相當(dāng)于70μｍ粒度以上粉塵的重力分離；

凝結(jié)式分離器適用于對(duì)付更小粒度的微小液霧，旋風(fēng)凝結(jié)分離過(guò)濾器在正壓型分析系統(tǒng)中大有用武之地。

特定項(xiàng)目專用型（如乙烯裂解）的氣液分離是技術(shù)含量很高的綜合技術(shù)；

5.7  樣氣流量測(cè)量及控制

     樣氣流量一般用球形轉(zhuǎn)子流量計(jì)，流量控制用針形閥調(diào)節(jié)，在線分析器要求的流量一般是30-60l/h。切換和關(guān)斷氣路要采用各種閥件，以五通切換閥最被看重。

5.8  樣氣壓力測(cè)量與調(diào)節(jié)

      高壓樣氣的減壓、穩(wěn)壓與調(diào)節(jié)是項(xiàng)困難任務(wù)，各種閥的原理及規(guī)格的選擇也很有專業(yè)性。

      高壓樣氣在取樣點(diǎn)根部閥處就地減壓很有必要，以避免降低反應(yīng)速度，有利于保障后級(jí)樣氣處理器部分的安全。

5.9  部件材料的正確選用

     以O(shè)型密封圈選材為例：連續(xù)使用溫度的高低依次為，氟橡膠包覆聚四氟乙烯（260℃）、氟橡膠（180℃）、硅橡膠（200℃）、丁晴橡膠（100℃）。以上不但是長(zhǎng)期使用溫度的順序，也是耐化學(xué)物質(zhì)影響以及抗老化，使用壽命長(zhǎng)短的順序。非金屬類型的O型密封卷最高使用溫度是327℃，是杜幫公司的全氟彈性O(shè)形密封圈Kalrez，其200多元的單價(jià)令人止步。

5.10  設(shè)備外殼及防護(hù)

     一般采用的機(jī)柜稱為儀表盤(pán)，組裝后稱為分析（儀器）柜；

     人可以進(jìn)入的機(jī)柜稱為分析小屋；

     機(jī)柜對(duì)粉塵、水的防護(hù)等級(jí)以IPXX表示；

     機(jī)柜對(duì)可燃性氣體和蒸汽的防爆等級(jí)。如 dⅡCT4  dⅡBT6等。

5.11  機(jī)柜的氣候調(diào)節(jié)

     機(jī)柜的氣候調(diào)節(jié)可分為降溫、加熱、換氣等三個(gè)大的方面。

5.12  自控單元

     樣氣處理系統(tǒng)的連續(xù)、穩(wěn)定、近于免維護(hù)的運(yùn)行，以及各種報(bào)警，都離不開(kāi)PLC可編程序控制器為核心的自控單元。

5.13  標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)即標(biāo)準(zhǔn)氣

      是在線分析器的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在已采用99.999%的高純氮作為零點(diǎn)氣。

     和其他專業(yè)顯著不同，標(biāo)準(zhǔn)氣并不是想象的那樣“標(biāo)準(zhǔn)”，常量標(biāo)準(zhǔn)氣的準(zhǔn)確度＜0.5%，而微量標(biāo)準(zhǔn)氣的準(zhǔn)確度只能達(dá)到2%。

5.14  快速回路設(shè)計(jì)

    提高分析系統(tǒng)的反應(yīng)速度。

5.15  尾氣和冷凝液的安全排放。

5.16  數(shù)據(jù)處理及遠(yuǎn)程傳輸。

5.17  工程現(xiàn)場(chǎng)安裝的施工設(shè)計(jì)。